酵素活性の超音波イメージングのための音響バイオセンサー

Acoustic biosensors for ultrasound imaging of enzyme activity.

• Anupama Lakshmanan
• Zhiyang Jin
• Suchita P Nety
• Daniel P Sawyer
• Audrey Lee-Gosselin
• Dina Malounda
• Mararet B Swift
• David Maresca
• Mikhail G Shapiro

抄録

無傷の生体内の生体分子や細胞のプロセスを可視化することは、ケミカルバイオロジーの主要な目標です。しかし、既存の分子バイオセンサは、主に蛍光発光に基づいていますが、組織による光の散乱のため、この文脈での実用性は限られています。対照的に、超音波は簡単に高い時空間分解能で深部組織を画像化することができますが、そのコントラストを酵素などの特定の生体分子の活性に結びつけるために必要なバイオセンサーが不足しています。この制限を克服するために、我々は、プロテアーゼ活性に応答して超音波イメージングで「点灯」する最初の遺伝的にエンコード可能な音響バイオセンサ-分子を導入します。これらのバイオセンサーは、3つの異なるプロテアーゼ酵素の活性に応答して非線形超音波信号を生成するように我々が設計されたガスベシクルと呼ばれる空気で満たされたタンパク質ナノ構造のユニークなクラスに基づいています。我々は、これらのバイオセンサーの能力を実証し、インビトロで、エンジニアリングされたプロバイオティクス細菌の内部で、マウスの消化管でin vivoで画像化されることを示しています。

Visualizing biomolecular and cellular processes inside intact living organisms is a major goal of chemical biology. However, existing molecular biosensors, based primarily on fluorescent emission, have limited utility in this context due to the scattering of light by tissue. In contrast, ultrasound can easily image deep tissue with high spatiotemporal resolution, but lacks the biosensors needed to connect its contrast to the activity of specific biomolecules such as enzymes. To overcome this limitation, we introduce the first genetically encodable acoustic biosensors-molecules that 'light up' in ultrasound imaging in response to protease activity. These biosensors are based on a unique class of air-filled protein nanostructures called gas vesicles, which we engineered to produce nonlinear ultrasound signals in response to the activity of three different protease enzymes. We demonstrate the ability of these biosensors to be imaged in vitro, inside engineered probiotic bacteria, and in vivo in the mouse gastrointestinal tract.